Разработка методического и алгоритмического обеспечения тепловых испытаний материалов и элементов конструкции в стендах с газоразрядными источниками излучения

Начало 70-х годов минувшего столетия отмечено созданием и практическим использованием космических аппаратов нового поколения — многоразовых пилотируемых и автоматических кораблей. Их появление было тесно связано с интенсивными исследованиями в области химии, материаловедения, теоретических основ теплообмена, технологии и многих других наук.

Одной из самых серьезных проблем при этом оказалось проблема создания надежной тепловой защиты несущей конструкции аппарата. В результате выполненных исследований были разработаны новые конструкционные материалы, способные многократно выдерживать высокие тепловые нагрузки, сохраняя при этом свою целостность и работоспособность. Примечательно, что некоторые из них, например, такие как ТЗМК-10, успешно использованные в тепловой защите кораблей Шаттл и Буран, нашли применение в народном хозяйстве. ТЗМК применяется в производстве эффективных лабораторных печей сопротивления, в которых, благодаря его свойствам, за короткий промежуток времени удается достигать температуры 1250° С. Такие печи нашли применение при термической обработке металлов, проведении химических исследований, в художественных промыслах для обжига фарфора, нанесения покрытий и пр.

С появлением новых высокотемпературных материалов и теплозащитных конструкций на их основе обострилась проблема определения их свойств, возможностей и области применения. Многие вопросы указанной проблемы решались и решаются в процессе тепловых испытаний образцов в стендах радиационного нагрева и использованием галогенных ламп и концентраторов солнечной энергии.

Стенды радиационного нагрева представляют собой наиболее экономичный тип установок, обеспечивающих тепловые испытания конструктивных и теплозащитных элементов в диапазоне температур до 1600° С.

Более высокий уровень нагрева материалов и элементов конструкций достаточно больших размеров удается реализовать в стендах с мощными водо-охлаждаемыми газоразрядными источниками излучения (ГИИ).

Актуальность настоящей работы связана с проблемой совершенствования технических средств, методов подготовки и проведения испытаний конструкций летательных аппаратов (ДА) в стендах радиационного нагрева с использованием ГИИ.

Процесс теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ характеризуется, по крайней мере, двумя особенностями, отличающими его от теплообмена в рабочем участке стенда с галогенными лампами накаливания (TJIH): отличием спектра излучения ГИИ от спектра излучения нагреваемого объекта и второе — заметное дискретное расположение источников над нагреваемой поверхностью. Кроме того ГИИ имеют существенно больший диаметр поперечного сечения (в два раза) по сравнению с ГЛН, что приводит к необходимости тщательно анализировать вопросы затенения ими излучения, поступающего от рефлектора на поверхность объекта испытания.

Возможность создания с помощью ГИИ тепловых потоков большой плотности делает актуальным также вопрос обеспечения требуемого теплового режима самих ГИИ. Правильно выбранный режим охлаждения ГИИ не только обеспечивает требуемое температурное состояние его оболочек, но во многом определяет допустимое значение мощности и ресурс работы ГИИ.

Важнейшей задачей, решаемой на этапе подготовки тепловых испытаний конструкции JIA, является задача о выборе режима работы источников излучения, их пространственном расположения, концентрации излучения, которые в совокупности обеспечивают заданное температурное состояние объекта испытания. В соответствующем расчете одним из основных определяющих параметров становится коэффициент полезного действия источника излучения. Знание этого коэффициента, определению которого посвящен один из разделов диссертации, служит исходной информацией для расчета потока излучения, падающего на поверхность объекта испытания и определения режима охлаждения оболочек ГИИ.

Цель Работы. Основной целью диссертационной работы является повышение надежности и достоверности моделирования тепловых режимов ЛА за счет создания более точных методов и эффективных алгоритмов расчета теплообмена в рабочих участках стендов радиационного нагрева с водоохлаждаемы-ми газоразрядными источниками излучения.

Исходя из сформулированной выше цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи.

1. Анализ состояния проблемы тепловых испытаний материалов и элементов конструкций в стендах радиационного нагрева с источниками излучения различного спектра.

2. Создание алгоритма определения спектральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих в рабочем участке стенда.

3. Разработка математической модели сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.

4. Разработка модели прозрачности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения для собственного и внешнего излучений.

5. Определение коэффициента полезного действия источника излучения.

6. Создание программы расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.

7. Оценка эффективности рефлектора и выбор его формы.

8. Разработка алгоритма моделирования теплового режима элемента конструкции летательного аппарата.

9. Разработка метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и определения его предельно допустимой мощности.

10. Экспериментальная проверка метода расчета теплообмена в рабочем участке стенда.

Объектом настоящего исследования является рабочий участок стенда с расположенным в нем образцом материала или элементом конструкции JIA (объект испытания). Рабочий участок стенда представляет собой устройство, состоящее из нагревательного блока с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения и, в общем случае, ограждающих поверхностей, в котором размещают объект испытания.

Термин «образец материала» используется здесь в достаточно широком смысле, поскольку при одинаковости, например, структуры материала пластины, технологии ее изготовления, примененных в ней исходных материалов и сделанной из нее конструкции нет заметного различия в испытаниях «образца материала» и «элемента конструкции» изделия. Это полностью справедливо, по крайней мере, на этапе исследовательских испытаний, основной целью которых является отработка материалов теплозащиты и горячих конструкций, проверка их совместимости между собой, определение основных физико-маханических характеристик во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок и проверка их соответствия требованиям технического задания. На этапе исследовательских испытаний проходят аттестацию все материалы, которые планируют использовать в конструкции ДА.

Предметом исследования является модель теплообмена в рабочем участке стенда, составляющая основу алгоритма моделирования теплового режима натурного объекта испытания. Под тепловым режимом понимается совокупность моделируемых процессов теплообмена, которые формируют заданное температурное состояние натурного объекта.

В качестве основного класса JIA, на который ориентированы результаты исследования, рассматриваются многоразовые аэрокосмические аппараты, выполняемые из функционально неразрущаемых конструкционных материалов.

Методы исследования. В процессе исследования использованы: зональный метод решения задач радиационного теплообмена, метод элементарных балансов, метод конечных элементов и аналитические методы определения температурного состояния объекта испытания.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается рас-четно-теоретическим и экспериментальным обоснованием допущений, принимаемых при разработке физической и математической моделей расчета теплообмена, а рабочем участке стенда, сопоставлением результатов вычислений с данными эксперимента и исследованиями, полученными ранее другими авторами.

Научная новизна. В диссертации:

1. Разработано методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов теплообмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, включающее в себя:

— физическую модель источника излучения, на основе которой определяются его собственное и поглощаемое им внешнее излучения (эффект затенения);

— алгоритм расчета спектральных и интегральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих на поверхности объектов испытания;

— математическую модель сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда;

— алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания;

— совокупность программ расчета теплообмена в рабочем участке стенда с водоохлаждаемыми ГИИ, адаптированных к решению задач тепловых испытаний.

2. Предложен критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы.

3. Выполнен анализ метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и оценка его предельно-допустимой мощности.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке методического и алгоритмического обеспечения расчетов теплообмена в рабочем участке стенда с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющего моделировать тепловой режим объекта на этапах исследовательских и автономных испытаний.

Разработан метод определения предельной мощности источника излучения, исходя из ограничений на допустимую температуру поверхности его частично прозрачной оболочки, граничащей с плазменным разрядом.

Предложенный в работе критерий оценки эффективности рефлекторов обеспечивает выбор его формы в соответствии и требованиями задачи испытаний.

Результаты выполненных в диссертации исследований используются в учебном процессе кафедры «Космические аппараты и ракеты-носители (СМ-1) МГТУ им. Н. Э. Баумана и в исследовательской работе Дмитровского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов теплообмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющее не этапах исследовательских и автономных испытаний моделировать тепловые режимы натурных объектов.

2. Результаты исследования влияния спектральных характеристик излучения на температурное поле объекта испытания.

3. Результаты исследования способов выравнивания неравномерности температурного поля объекта испытания, связанной с дискретным расположением ГИИ и ограниченными размерами нагревательного блока.

4. Метод определения предельной мощности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения по температурному состоянию его оболочки из частично прозрачного материала.

5. Критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы. Апробация работы. Результаты диссертационной работы сообщались на — Международной научной конференции, посвященной 90-летию В.И.

Феодосьева «Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (Москва, 2006 г.),.

— VII Международной научно-практической конференции «Молодые ученые — промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2007 г.),.

— XXXI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2007 г.),.

Материалы диссертации рассматривались на научных семинарах кафедры.

СМ-1 факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 3 научных статьях, изданных в реферируемых журналах, а также в материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 183 страниц, в том числе 150 страниц текста, 121 рисунков и 9 таблиц.

Список литературы

содержит 93 наименования.

Основные результаты и выводы.

1. Разработано методическое и алгоритмическое обеспечение расчета теплообмена в рабочих участках стендов с газоразрядными источниками излучения, включающее:

— метод и алгоритм решения сопряженной и комбинированной задач ра-диационно-кондуктивного и конвективного теплообмена с учетом спектральных характеристик излучения ГИИ и объекта испытания, обеспечивающие вычисление суммарных потоков падающего и результирующего излучений, а также их отдельных составляющих;

— определение внутреннего и внешнего коэффициентов полезного действия ГИИ и граничных условий для расчета температурного состояния их оболочек.

2. Сформулировано условие идентичности температурных полей, рассчитываемых с использованием спектральных и интегральных характеристик ГИИ и нагреваемой поверхности (условие 2.78−2.81).

3. Исследовано влияние на характеристики потоков излучения в рабочей зоне объекта испытания рефлекторов различной формы. Предложен удобный для практического использования критерий оценки их эффективности в виде безразмерного отношения потока излучения, падающего на объект испытания только от рефлектора, к потоку, падающему на него непосредственно от источников излучения (без рефлектора). На основе предложенного критерия, используемого совместно с методом и алгоритмом расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в системе «нагревательный блок-объект испытания», можно оценивать эффективность рефлекторов различной формы с заданным в них расположением источников излучения. Практически важно, что такая оценка возможна на этапе проектирования рефлектора до его создания.

4. Впервые исследовано влияние спектра различных типов источников излучения и спектральных характеристик нагреваемой поверхности на температурное состояние объекта испытания. Показано, что при нагревании объектов испытания с выраженными спектральными свойствами поверхности излучением источников с одинаковой интегральной плотностью потока, но с различным спектром, температура объекта может изменяться на десятки процентов в зависимости от типа источника излучения и момента времени нагрева.

Равенство интегральных плотностей потоков излучения, падающих на поверхность объекта испытания, не обеспечивает идентичность температурных полей в нем при замене одного типа источника на другой с иным спектром излучения или при изменении режима его работы.

5. Исследован механизм выравнивания температурного поля объекта испытания, нагреваемого переменным по поверхности потоком излучения, за счет целенаправленного изменения ее оптических характеристик. Сформулировано условие выравнивания температуры, связывающее изменение поглощательной способности «серой» поверхности с заданным законом изменения плотности потока падающего излучения (условие (3.5)). Показано, что рассматриваемый способ выравнивания температурного поля наиболее эффективен в интервале температур от 300К до 1000К при сохранении стабильности оптических свойств поверхности в этом интервале.

6. Разработан алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания, адаптированный к условиям исследовательских и автономных испытаний материалов и элементов функционально неразрушаемых конструкций летательных аппаратов в стендах с газоразрядными источниками излучения.

7. Впервые предложен замкнутый метод расчета теплового режима источников излучения с учетом заданного ограничения на температуру «горячей» частично прозрачной оболочки (1200°С) и отсутствия кипения воды в охлаждающем тракте. Ззамкнутость метода, основанного на использовании известных зависимостей для определения температурного состояния оболочек, достигнута за счет предложенного автором введения в расчет «внутреннего» коэффициента полезного действия и определения граничного условия на поверхности «горячей оболочки ГИИ.

8. Выполнена экспериментальная проверка основных положений диссертации, подтвердившая правильность определяющих допущений, использованных при разработке методов расчета и полученных в ней результатов.